способ буровзрывной проходки горных выработок в напряженных трещиноватых массивах горных пород
Классы МПК: | F42D3/04 для взрыва горных пород |
Автор(ы): | Тюпин Владимир Николаевич (RU), Святецкий Виктор Станиславович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество Приаргунское производственное горно-химическое объединение (ОАО ППГХО) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-12-16 публикация патента:
20.12.2013 |
Изобретение относится к области горной промышленности, буровзрывной проходке горизонтальных, вертикальных и наклонных горных выработок, служащих для вскрытия, подготовки, а также для выемки полезного ископаемого. Способ может быть использован для строительства железнодорожных и автомобильных тоннелей. Способ включает бурение шпуров в забое выработки или заходки, заряжание их ВВ и короткозамедленное взрывание. Среднее расстояние между шпурами в забое, число шпуров и удельный расход ВВ на забой определяют математически в зависимости от площади сечения выработки, параметров трещиноватости массива, физико-технических свойств пород, коэффициента трения, величины горного давления в массиве, детонационных характеристик и геометрических параметров ВВ. Технический результат позволяет получить заданный КИШ, обеспечить снижение выхода негабарита, снижение затрат на буровые и взрывные работы, это в конечном итоге повышает эффективность и безопасность буровзрывных работ при проходке горных выработок и отбойке руды в слоевых заходках. 1 табл., 1 пр.
Формула изобретения
Способ буровзрывной проходки горных выработок в напряженных трещиноватых массивах горных пород, включающий бурение шпуров при их количестве, определяемом из соотношения в зависимости от площади сечения выработки, геометрических параметров шпура и заряда ВВ в шпуре, расчетного удельного расхода ВВ, зависящих от коэффициента крепости горной породы, заряжание шпуров и их короткозамедленное взрывание, отличающийся тем, что с учетом трения, горного давления и параметров трещиноватости массива число шпуров на забой выработки определяют из выражения:
а удельный расход ВВ из соотношения
где
S - площадь сечения выработки, м2 ;
a0 - среднее расстояние между шпурами в забое, м;
Kз - коэффициент заполнения шпура ВВ;
dз - диаметр заряда ВВ, м/с;
в - плотность заряжания, кг/м3;
=3,14;
D - скорость детонации ВВ, м/с;
с - скорость продольной волны в отдельности массива горных пород, м/с; - коэффициент Пуассона отдельности;
p - предел прочности на разрыв отдельности, Па;
µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;
Ф - показатель трещиноватости массива;
de - размер отдельности массива, м;
Р - величина горного давления в месте взрывания, Па;
dк - размер кондиционного куска, м;
W- линия наименьшего сопротивления, м, W=a0.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровзрывной проходке горизонтальных, вертикальных и наклонных горных выработок, служащих для вскрытия, подготовки, а также для выемки полезного ископаемого и может быть использовано для строительства железнодорожных и автомобильных тоннелей.
Наиболее близким техническим решением является способ буровзрывной проходки горных выработок, включающий бурение взрывных шпуров при их количестве, определяемом из выражения в зависимости от площади сечения выработки, средней глубины шпура, массы заряда ВВ в шпуре, а также коэффициента заполнения шпура и расчетного удельного расхода ВВ, зависящих от коэффициента крепости горной породы (см. Справочник взрывника / Под ред. Б.Н. Кутузова.- М.: Недра, - 1988, - с.362-363).
Однако известно, что с увеличением глубины разработки удельный расход ВВ и число шпуров на забой увеличивают при одинаковых сечениях выработок и прочностных свойствах горных пород. Это связано с увеличением горного давления с глубиной разработки, что вызывает увеличение затрат энергии взрыва на трение, уменьшение длины радиальных трещин, а значит и увеличение затрат на дробление и выброс горной породы или руды. Кроме того, естественная трещиноватость существенно влияет на качество дробления горного массива и коэффициент использования шпура (КИШ) при проходке выработок и отбойке руды при слоевой выемке. Помимо этого, зависимости по определению числа шпуров и удельного расхода ВВ не учитывают детонационные характеристики ВВ (скорость детонации, плотность заряжания) и диаметр заряда ВВ, что может привести к снижению КИШ и повышению выхода негабарита при использовании нового типа ВВ или другого диаметра шпура.
Предложен способ буровзрывной проходки горных выработок в напряженных трещиноватых массивах горных пород, который включает бурение шпуров при их количестве, определяемом из соотношения в зависимости от площади сечения выработки, геометрических параметров шпура и заряда ВВ в шпуре, расчетного удельного расхода ВВ, зависящих от коэффициента крепости горной породы, заряжание шпуров и их короткозамедленное взрывание, отличающиеся тем, это с учетом трения, горного давления и степени трещиноватости массива число шпуров на забой выработки определяют из выражения:
а удельный расход ВВ из соотношения
где
S - площадь сечения выработки, м 2;
a0 - среднее расстояние между шпурами в забое, м;
Kз - коэффициент заполнения шпура ВВ;
dз - диаметр заряда ВВ, м/с;
в - плотность заряжания, кг/м3;
=3,14;
D - скорость детонации ВВ, м/с;
с - скорость продольной волны в отдельности массива горных пород, м/с;
- коэффициент Пуассона отдельности;
р - предел прочности на разрыв отдельности, Па;
µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;
Ф - показатель трещиноватости массива;
de - размер отдельности массива, м;
P - величина горного давления в месте взрывания, Па;
dк - размер кондиционного куска, м;
W - линия наименьшего сопротивления, м, W=а 0.
Предложенный способ позволяет обеспечить заданный КИШ и степень дробления напряженного трещиноватого горного массива при проходке выработок. Это происходит за счет определения необходимого числа шпуров на забой и удельного расхода ВВ с учетом эффектов трения между выбрасываемыми отдельностями массива, горного давления, уменьшающего радиус радиальных трещин и степени естественной трещиноватости массива, а также последующего бурения, заряжания и короткозамедленного взрывания врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров.
Сущность способа заключается в следующем. Действие взрыва в трещиноватом горном массиве подразделяется на две фазы: волновую и квазистатическое давление продуктов детонации (ПД). Волна напряжения распространяется со скоростью 2000-5000 м/с и имеет малую длительность фазы сжатия 0,05-0,7 мс, поэтому при величине раскрытия естественных трещин 2-8 мм волны напряжений полностью теряют свою энергию на трещинах - известный факт. На подземных горных работах раскрытие трещин составляет 0,1-5,0 мм, то есть и здесь волны напряжений теряют часть своей энергии на ближайшей трещине. С учетом того, что блочность массива, например на рудниках ОАО ППГХО, составляет в основном 0,1-0,4 м, то есть число трещин, встречающихся на пути распространения волн напряжений (в пределах радиуса зоны радиального трещинообразования), равно 2 и более, можно сказать, что естественная трещиноватость полностью локализует энергию волны напряжения вблизи заряда ВВ. Определяющим механизмом дробления (радиального трещинообразования) отдельностей массива, в пределах (5-15)d3 в является квазистатическое давление продуктов детонации, что обеспечивает соударение отдельностей.
Иными словами, под действием квазистатического давления продуктов детонации в массиве распространяется волна деформаций со скоростью 10-100 м/с, представляющая собой последовательное перемещение раздробленных и нераздробленных отдельностей в радиальном направлении от заряда ВВ. Перемещение отдельностей сопровождается деформированием массива на берегах естественных трещин, упругим деформированием отдельностей массива и трением по граням отдельностей при их смещении друг относительно друга.
Основываясь на указанном механизме действия взрыва, и используя закон сохранения энергии определены теоретические формулы расчета радиальных и тангенциальных напряжений в массиве, радиус зоны радиального трещинообразования и радиус зоны регулируемого дробления. Далее из геометрических соображений определено среднее расстояние между шпурами в забое выработки, число шпуров на забой и удельный расход ВВ (см. приложение 1).
Предложенный способ осуществляют следующим образом. Вначале определяют величину a0, подставляя туда численные значения параметров. Физико-механические свойства массива р, c,
,
обычно определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Величину dk задают исходя из требуемой степени дробления массива. Значения величин Ф, µ, Kз взаимосвязаны с размером естественной отдельности de, их определяют из таблицы
de, м | <0,05 | 0,05-0,15, | 0,15-0,40 | 0,40-1,0 | >1,0 |
Ф | >12 | 12-10 | 10-8 | 8-6 | <6 |
µ | <0,2 | 0,2-0,3 | 0,3-0,45 | 0,45-0,6 | >0,6 |
Kз | <0,4 | 0,4-0,5 | 0,5-0,65 | 0,65-0,8 | >0,8 |
Детонационные характеристики ВВ (D, в) и диаметр заряда ВВ (d3) определяют используя справочную литературу. Величину горного давления в районе подготовки массива определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле Р=k
gH (где g - ускорение свободного падения, м/с2 ; Н - глубина от поверхности земли, м; k - коэффициент концентрации напряжений вблизи обнажения горного массива, k=2-3).
Далее определяют величину N по формуле (1) при заданном значении площади сечения выработки S и величину удельного расхода ВВ по формуле (2).
После вычислений бурят шпуры, заряжают их зарядами ВВ, монтируют электровзрывную сеть или сеть СИНВ-Ш и производят короткозамедленное взрывание врубовых, отбойных и оконтуривающих зарядов ВВ на врубовую полость или открытую поверхность горного массива.
Пример конкретного выполнения. Для снижения выхода негабарита (+400 мм до 2-5%) и обеспечения заданного КИШ (не менее 0,85) при взрывной отбойке урановых руд на рудниках ОАО ППГХО с использованием системы разработки: нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой определены параметры БВР в соответствии с формулами (3), (1) и (2). Массив в блоке 6а-1212, слой 22, заходка 4, рудник «Глубокий» представлен гранитами с размером отдельности de=0,05-0,15 м (0,1 м в среднем). Физико-технические свойства гранитов c=4,54·10 3 м/с, =0,23, µ=0,25,
р=0,86-107 Па,
=2,5·103 кг/м3, Ф=11, K з=0,45.
Взрывание производят патронами аммонала-200 с d3=0,04 м, в=0,9-103 кг/м, D=4,4-103 м/с. Величина горного давления при H=500 м, g=9,8 M/c2 ,
=2,5-103 кг/м3, k=2 равна P=2,5·10 7 Па.
Размер кондиционного куска dк =0,4 м, площадь сечения заходки S=14 м2. Подставляя численные значения в (3) получим a0=0,91 м. Подставляя a0 в (1) и (2), с учетом численных значений K 3, d3 рв получим N=34, q=1,23 кг/м3 .
В соответствии с указанными параметрами бурили, заряжали, короткозамедленно взрывали шпуры в слоевой заходке блока 6а-1212. После взрыва гранулометрический состав определяли фотопланиметрическим методом. По трем фотографиям установлено, что выход негабарита (+400 мм) составил 1,4%, КИШ, определенный по средней длине «стаканов» составил 0,89. Аналогичные работы, проведенные в блоке 5-829, слой 13, заходка 4, рудник 1 при слоевой отбойке трахидацитов позволили уменьшить выход негабарита до 4,4% и КИШ довести до 0,9. В настоящее время ведется внедрение параметров БВР при слоевой отбойке руд на рудниках ОАО ППГХО в различных по степени трещиноватости массивах горных пород, с учетом эффектов трения и горного давления. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 180 млн. руб.
Таким образом, использование предлагаемого способа буровзрывной проходки горных выработок в напряженных трещиноватых массивах горных пород доказало его эффективность и достоверность.
Приложение 1. Теоретический расчет среднего расстояния между шпурами в забое, числа шпуров и удельного расхода ВВ на забой выработки.
Повышение КИШ и снижение выхода негабарита обеспечивают повышение эффективности и уровня безопасности горных работ. Это достигается расчетом оптимального числа шпуров и удельного расхода ВВ на забой с учетом естественной трещиноватости массива, а так же величины горного давления и трения при взрывном разрушении и выбросе горной массы.
При взрыве заряда ВВ, отдельности, пронизанные зарядом, дробятся на куски под действием волны напряжения. Под действием продуктов детонации раздробленные отдельности движутся в радиальном направлении, обеспечивая деформирование трещиноватого массива между гранями отдельностей, упругим деформированием и разрушением отдельностей массива, трением по граням отдельностей. Эффект трения и интенсивность разрушения отдельностей существенно зависят от величины горного давления в массиве.
Величина радиальных напряжений с учетом трения и горного давления при взрыве одиночного заряда ВВ в безграничном массиве для подземных горных работ составляет [1]:
Первые два члена правой части (1) представляют собой динамическую компоненту радиального напряжения от взрыва, третий - статистическую.
Величина тангенциальных напряжений с учетом пригрузки массива горным давлением равна
Радиус зоны трещинообразования определен из (2), считая, что динамическая часть pm(r) без величины P в правой части равенства равна пределу прочности отдельности массива на разрыв
p, то есть
Радиус зоны регулируемого дробления (Rp) в пределах которой размер крупных кусков не превышает кондиционного определен путем умножения правой части (3) на величину (dк/de)0,5 , полученную согласно закону Риттингера: работа разрушения обратно пропорциональна размеру разрушенных кусков, а разрушающее напряжение пропорционально корню квадратному из этого выражения. Тогда
При взрывании одиночных шпуровых зарядов ВВ на открытую поверхность (врубовые на забой выработки, отбойные и оконтуривающие на врубовую полость) часть энергии расходуется на выброс породы и согласно [1] величина Rp должна быть умножена на
Среднее расстояние между шпурами в забое равно a0=2Rp или
Число шпуров на забой выработки можно определить зная, что 1 шпур обеспечивает дробление и выброс породы на свободную поверхность в виде треугольника (в сечении перпендикулярном оси шпура) с основанием a0 и высотой W=a0 . Тогда
где S1 площадь сечения горной породы выбрасываемой одним шпуровым зарядом ВВ, м2 .
Подставляя (9) в (8) получим:
Удельный расход ВВ можно определить по формуле:
где Qв - масса заряда ВВ в шпуре, кг;
V1 - объем породы отбитый одним шпуром, м3.
;
Подставляя (12) в (11) и учитывая, что - коэффициент заполнения шпура ВВ, получим
Промышленные экспериментальные исследования показали, что величина Кз зависит от степени трещиноватости горного массива и может быть определена по формуле
Библиографический список
1. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. - Москва: ВНИПИ промтехнологий. - 2002. - С.102, 113.
Класс F42D3/04 для взрыва горных пород